淺談水準(zhǔn)測量技術(shù)在工程中的應(yīng)用

張保勛 王昆侖

摘要：隨著先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，測繪新技術(shù)及測量儀器開始變得越來越精密。在測準(zhǔn)地面點(diǎn)的高程上的方法開始被 GPS 的水準(zhǔn)代替，實踐中，在確定絕大多數(shù)高等級地面控制的高程依然使用著精密的水準(zhǔn)測量。為了能夠有效地提高實踐中精密水準(zhǔn)的測量精度。為了提高精密水準(zhǔn)測量的精度，本文結(jié)合案例，對水準(zhǔn)測量的技術(shù)方法進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：水準(zhǔn)測量；精度分析；應(yīng)用

中圖分類號：TU74 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，國家及民間企業(yè)開始加大對基礎(chǔ)設(shè)施的投入，這將加大了對測繪技術(shù)的運(yùn)用。隨著先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，測繪新技術(shù)及測量儀器開始變得越來越精密?，F(xiàn)今，在測準(zhǔn)地面點(diǎn)的高程上的方法開始被 GPS 的水準(zhǔn)代替，實踐中，在確定絕大多數(shù)高等級地面控制的高程依然使用著精密的水準(zhǔn)測量。為了能夠有效地提高實踐中精密水準(zhǔn)的測量精度。

1 水準(zhǔn)測量的原理

水準(zhǔn)測量一般運(yùn)用水準(zhǔn)儀所供應(yīng)的水平視線，在借助帶有分劃的水準(zhǔn)尺，按照實踐步驟，直接地測出地面上的兩點(diǎn)之間的高度差，而后根據(jù)已經(jīng)知道的點(diǎn)高程和測得到的高度差，這樣就能夠推算出另外一個未知點(diǎn)的高程。如圖 1，在一個崎嶇的地面點(diǎn)選區(qū) A、B 兩點(diǎn)，而后豎立一個水準(zhǔn)尺，運(yùn)用水準(zhǔn)儀所提供的水平的視線，在選取尺上的讀書a、b，這樣就可以得到 A、B 兩點(diǎn)間的高度差 hAB為：a-b

圖1 水準(zhǔn)測量原理

2 水準(zhǔn)測量中的關(guān)鍵事項

（1）水準(zhǔn)儀在投入作業(yè)前一定要按規(guī)定項目進(jìn)行檢驗，尤其是視準(zhǔn)軸與水準(zhǔn)軸相互關(guān)系的檢驗，即i 角的檢驗。i 角不大于20 秒且較穩(wěn)定的水準(zhǔn)儀滿足三，四等水準(zhǔn)測量的要求，水準(zhǔn)標(biāo)尺按相應(yīng)等級水準(zhǔn)測量配置，木質(zhì)水準(zhǔn)尺要求平直，沒有變形，尺長改正小于每米0.5 毫米，標(biāo)尺上的圓氣泡經(jīng)校正完好，能保證標(biāo)尺垂直豎立，水準(zhǔn)尺能否豎直對水準(zhǔn)測量非常重要。

（2）嚴(yán)格掌握觀測時間，在氣象條件允許的情況下作業(yè)。讀數(shù)時成像清晰穩(wěn)定，沒有視差。大氣折光對光線的影響會引起視線彎曲，從而導(dǎo)致讀數(shù)誤差，這種誤差一般不易察覺。為避免折光誤差，晴天日出，日落前后半小時，中午1.5 小時內(nèi)不宜作業(yè)，有時因任務(wù)緊急，可適當(dāng)縮短視距，保證讀數(shù)清楚，準(zhǔn)確。

（3）水準(zhǔn)測量需集體配合，觀測員與記錄員、立尺員三者缺一不可，立尺員立尺時要注意水準(zhǔn)尺上的氣泡居中，用眼睛的余光注意觀測員的手勢，隨時準(zhǔn)備調(diào)換紅黑尺面，熟練的觀測者準(zhǔn)確讀數(shù)需幾秒。前后尺視距盡量保持相等，由于地形起伏，不好做到視距相等時，記錄員應(yīng)適時告訴立尺員調(diào)整前后視距，在上點(diǎn)前，前后視距累積差趨于0。需根據(jù)不同測量等級來分析。

3 工程概況

某工程項目測區(qū)全長120 km，全線共布設(shè)CPⅠ控制點(diǎn)30個，CPⅡ控制點(diǎn)220個，水準(zhǔn)點(diǎn)62個，其中水準(zhǔn)點(diǎn)和CPⅠ、CPⅡ控制點(diǎn)共樁，點(diǎn)位選設(shè)均勻，點(diǎn)間距為1～2 km，聯(lián)測4個高等級水準(zhǔn)點(diǎn)，按照四等水準(zhǔn)測量的技術(shù)要求施測，其中高程控制點(diǎn)布設(shè)示意圖如圖2所示。

圖2 高程控制點(diǎn)布設(shè)示意

測區(qū)大部分位于丘陵地帶，地形起伏較大，且沿線果園、樹木眾多，正值夏季，樹葉茂密，道路也崎嶇復(fù)雜，這些都給水準(zhǔn)測量工作帶來了較大的影響，因此必須對全線水準(zhǔn)測量進(jìn)行精度控制，以確保測量成果的質(zhì)量滿足后續(xù)施工、運(yùn)營、監(jiān)測要求。

4 影響水準(zhǔn)測量精度的因素

4.1儀器誤差

儀器誤差主要有水準(zhǔn)儀i角誤差，水準(zhǔn)尺變形和水準(zhǔn)尺底零點(diǎn)不準(zhǔn)引起的誤差。其中視距累計差對i角的影響而引起的高差變化較大。

i角對高差的誤差影響會隨著一個測站上前后視距差或者測段前后視距累計差增大而增大。因此，實際作業(yè)過程中，應(yīng)該使用校核合格的儀器，同時要控制好一個測站上前后視距差和測段的前后視距累計差。

4.2 外界條件的影響

主要有溫度變化對i角及水準(zhǔn)氣泡的影響、儀器和水準(zhǔn)標(biāo)尺垂直位移的影響、風(fēng)速對水準(zhǔn)儀器和水準(zhǔn)尺的影響、大氣垂直折光的影響。

其中三腳架和尺墊沉降隨著觀測時間在垂直方向的下沉是精密水準(zhǔn)測量中系統(tǒng)誤差的重要來源，采用 “前后后前、后后前前”的觀測順序可將此類誤差消除。水準(zhǔn)尺垂直位移，主要發(fā)生在遷站過程中，由原來的前視尺轉(zhuǎn)化為后視尺而產(chǎn)生下沉，總是后視讀數(shù)偏大，使各測站的觀測高差都偏大。這種誤差影響在往返測高差的平均值中可以得到抵償。

大氣垂直折光的影響: 接近地面的大氣層，密度的梯度越大，前后視線離地面的高度不同，視線所通過大氣層的密度也不同，折光影響也就不同。大氣密度的變化還受溫度等因素的影響，測量規(guī)范中規(guī)定每一測段的往返測應(yīng)分別在上午和下午( 避開日出、日落、中午) ，往返測取均值可適當(dāng)減弱其影響。

4.3 觀測誤差和人為因素的影響

觀測誤差和人為因素主要有讀數(shù)、記錄誤差，外業(yè)測量人員水準(zhǔn)尺扶不直而造成的誤差和照準(zhǔn)水準(zhǔn)尺上的分劃誤差，其中因為外業(yè)測量人員水準(zhǔn)尺扶不直而造成的誤差對觀測成果的精度影響比較大，人為因素主要指在數(shù)據(jù)處理過程中平差方案的選擇和平差參數(shù)的設(shè)置等。

5 水準(zhǔn)測量具體實施和精度控制辦法

該項目水準(zhǔn)測量采用天寶和徠卡的S03電子水準(zhǔn)儀及配套的3m 條碼尺，分四個小組同時進(jìn)行作業(yè)。為了控制好水準(zhǔn)測量精度，按時完成測量任務(wù)，在實施過程中采取了以下措施。

5.1制定詳細(xì)方案

根據(jù)水準(zhǔn)測量人員的技術(shù)水平、新儀器的使用方法，進(jìn)行有針對性的培訓(xùn)。根據(jù)各種誤差的性質(zhì)及其影響規(guī)律，在測量中采取相應(yīng)的措施來盡可能地減弱或消除各種誤差對觀測成果的影響，如觀測前30 min，應(yīng)將儀器取出置于露天陰影處，使儀器與外界氣溫趨于一致; 每一測段均應(yīng)安排偶數(shù)站測量; 每一測段的往測與返測，其測站數(shù)均應(yīng)為偶數(shù)，由往測轉(zhuǎn)向返測時，兩水準(zhǔn)標(biāo)尺應(yīng)互換位置，并重新整平儀器。

根據(jù)需要聯(lián)測的已知水準(zhǔn)點(diǎn)位置和待測水準(zhǔn)點(diǎn)的位置、自然地理條件、沿途的交通情況等，制定詳細(xì)的觀測方案。方案主要包括設(shè)計外業(yè)觀測的水準(zhǔn)路線，具體測量人員安排，統(tǒng)一待測點(diǎn)、轉(zhuǎn)點(diǎn)、間歇點(diǎn)的命名規(guī)則，對外業(yè)測量的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行落實等，外業(yè)測量的技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 水準(zhǔn)觀測主要技術(shù)要求

5.2 強(qiáng)調(diào)水準(zhǔn)尺的扶直

在實施外業(yè)測量時，作業(yè)人員相互之間利用對講機(jī)做好聯(lián)系和溝通，尤其是要避免出現(xiàn)后視轉(zhuǎn)點(diǎn)提前移動的情況; 操作儀器時，使用木質(zhì)三角架，要避免觀測順序的錯誤而產(chǎn)生的粗差。

扶尺者要選擇堅實的地方放尺墊，并且要踩實尺墊，尤其在下雨過后，更應(yīng)將尺墊踩實，在扶尺時集中精力，用好尺撐，使尺子能穩(wěn)定的豎直。在因風(fēng)大尺子不穩(wěn)的情況下，應(yīng)通知照準(zhǔn)者暫停觀測。

5.3 數(shù)據(jù)平差

根據(jù)天寶電子水準(zhǔn)儀的原始數(shù)據(jù)特點(diǎn)，將測站和測段數(shù)據(jù)從原始觀測文件中提取出來，并按照統(tǒng)一命名規(guī)則來整理和存檔; 安排具體人員對數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，剔除粗差，然后合并測站，得出測段數(shù)據(jù); 制定數(shù)據(jù)初步統(tǒng)計表格，將檢查無誤的測段數(shù)據(jù)統(tǒng)計到表中，統(tǒng)計表格樣式如表2 所示。

表2 數(shù)據(jù)初步統(tǒng)計

在往返測高差不符值及附合水準(zhǔn)路線閉合差均不超限的前提下，將經(jīng)過預(yù)處理的數(shù)據(jù)導(dǎo)入到COSA 平差軟件中，采用“沉降監(jiān)測和等級水準(zhǔn)測量觀測數(shù)據(jù)處理軟件”進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理。最后得到的結(jié)果如表3所示。

表3 平差成果

6 結(jié)論

對影響水準(zhǔn)測量精度的原因進(jìn)行了深入的分析，在該鐵路項目高程控制測量具體實施過程中，采取相應(yīng)的對策，降低系統(tǒng)誤差，減少偶然誤差的影響，消除了粗差，控制好了測量精度，最后得到合格的測量成果。

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